摘  要： 針對機載天線實時跟隨頭戴設(shè)備轉(zhuǎn)動，提出了一種機載伺服系統(tǒng)的控制方案，系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為運算核心，通過RS-485連接絕對值光電編碼器代替測速機對轉(zhuǎn)臺進行測速，并采用具有退積分飽和功能的數(shù)字PID增量型控制算法進行速度閉環(huán)控制，使系統(tǒng)具有了很好的動態(tài)性能和抗干擾性能。而且針對項目的實際還提出了一種先速度后位置的隨動控制策略，經(jīng)實際驗證和測試，取得了很好的應(yīng)用效果，不僅達到了系統(tǒng)的技術(shù)指標而且還提高了系統(tǒng)的魯棒性。

　　關(guān)鍵詞： DSP；積分飽和；PID；伺服電機；控制策略

　　伺服系統(tǒng)本質(zhì)上就是一種隨動系統(tǒng)，本文介紹的伺服系統(tǒng)為一維伺服轉(zhuǎn)臺，用于控制一種機載天線實時跟隨另一種瞄準設(shè)備，時刻保持機載天線和瞄準設(shè)備在同一位置上，以達到微波系統(tǒng)通信的目的。瞄準設(shè)備電機運行速度常常不停變化，為使系統(tǒng)的輸出以一定精度跟隨瞄準設(shè)備的變化，與一般電機調(diào)速系統(tǒng)相比，其對轉(zhuǎn)矩和速度的動靜態(tài)控制特性要求要嚴格得多。

　　瞄準設(shè)備運行軌跡比較復(fù)雜，對伺服的跟蹤性能的影響也比較大，該隨動系統(tǒng)由于是機載設(shè)備，所以對整個伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和重量都做了非常嚴格的要求。加之微波天線波束窄，要保證伺服系統(tǒng)在跟隨瞄準設(shè)備的過程中，能正常通信，高的定位精度和隨動精度是必須要滿足的指標。因此，在整個伺服系統(tǒng)設(shè)計過程中，除了良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計外，要求相應(yīng)的控制系統(tǒng)既要具有高性能的軟硬件結(jié)構(gòu)，又要有高性能[1]的控制策略和控制算法。本文著重介紹基于DSP的控制系統(tǒng)設(shè)計，并提出一種隨動的控制策略，來保證伺服系統(tǒng)高的動態(tài)響應(yīng)能力和靜態(tài)穩(wěn)定性，而且又有較強的抗干擾能力（即魯棒性），使伺服系統(tǒng)達到整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。

　　1 控制部分原理

　　控制系統(tǒng)部分硬件主要由控制模塊和驅(qū)動模塊兩大部分組成。控制模塊以TMS320F2812 DSP為運算核心，連同數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、以及兩個RS-485收發(fā)器構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。基本原理框圖如圖1所示。

　　本伺服系統(tǒng)控制采用三閉環(huán)控制，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)[1]。其中，速度環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定信號，位置環(huán)的輸出為速度環(huán)的給定信號；電流環(huán)和速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。為了保證電流環(huán)的響應(yīng)頻帶達到1 kHz以上，電流環(huán)采用硬件模擬電路實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上進行速度閉環(huán)，能夠達到很高的伺服精度，位置環(huán)和速度環(huán)的控制則在DSP控制器上通過算法實現(xiàn)。PID閉環(huán)的原理如圖2所示。

　　為了降低整機重量和成本，沒有采用專門的測速機來進行速度閉環(huán)控制，測速通過一個絕對值的光電編碼器提供的位置信息在DSP內(nèi)部通過計算所得。絕對值光電編碼器通過RS-485與DSP進行連接，DSP每毫秒給絕對值光電編碼器發(fā)送一個握手信號采集絕對值光電編碼器的位置信息數(shù)據(jù)，在絕對值光電編碼器收到這個握手信號后把測到的位置信息回傳給DSP，DSP獲得這個位置信息后與上一毫秒的位置信息共同計算出一個速度值，進行速度閉環(huán)控制，電流環(huán)通過DSP把給定值送到D/A進行數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換后送給驅(qū)動模塊。

　　2 退飽和數(shù)字PID控制算法

　　伺服系統(tǒng)是按誤差控制的系統(tǒng)，適合采用PID控制算法，而根據(jù)硬件的實現(xiàn)方法有模擬和數(shù)字兩種實現(xiàn)方法。本文中電流環(huán)用模擬電路實現(xiàn)保證有高的響應(yīng)帶寬，位置和速度則在DSP內(nèi)用數(shù)字的方法實現(xiàn)。數(shù)字PID控制是比例、積分、微分調(diào)節(jié)的簡稱，是自動化領(lǐng)域性能最強的控制調(diào)節(jié)方法[2]。數(shù)字PID控制方法，具有控制簡單、容易實現(xiàn)、算法靈活多變的特點。

　　PID的完整公式為：

　　u（t）=KP×e（t）+KI×e（j）+KD×[e（t）-e（t-1）]+u（0）（1）

　　其中，KP為比例放大系數(shù)；KI為積分放大系數(shù)；e（t）為誤差；u（0）為控制量基準值（基礎(chǔ)偏差）。

　　積分項是一個歷史誤差的累積值，如果只用比例控制時，要么就是達不到設(shè)定值，要么就會出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩，在使用了積分項后就可以解決達不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問題，例如一個控制中使用了PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達不到設(shè)定值，這時積分項的誤差累積值會越來越大，這個累積值乘上KI后會在輸出的比重中越占越多，使輸出u（t）越來越大，最終達到消除靜態(tài)誤差的目的。

　　實際情況中，在電動機的啟動、停轉(zhuǎn)或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)會輸出很大偏差，使得PID運算的積分積累很大，引起輸出控制量增大和強烈的積分飽和效應(yīng)，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中的積分飽和會引起大幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，所以消除積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項過大，可以采用的方法有積分分離法、遇限消弱積分PID控制算法及變速積分PID算法等[5]。為消除積分飽和帶來的不利影響，系統(tǒng)采用帶退飽和的積分分離法來防止積分飽和，積分分離的基本思路是：當(dāng)被調(diào)量和設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分的作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，超調(diào)量增大，當(dāng)被控制量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。當(dāng)積分值積到設(shè)定的閾值時，清楚積分累積值，達到退積分的目的，提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

　　積分分離算法可表示為：

　　u（t）=KP×e（t）+?茁×KI×e（j）+KD×[e（t）-e（t-1）]+u（0）（2）其中β為積分項的開關(guān)系數(shù)。

　　β=1，|e（t）|≤ε0，|e（t）|>ε

　　ε為設(shè)定閾值。

　　3 控制策略及測試結(jié)果

　　本伺服系統(tǒng)通過接收瞄準設(shè)備傳過來的位置和速度信息，進行跟隨運動，讓瞄準設(shè)備和伺服轉(zhuǎn)臺始終保持0.3°的隨動誤差，瞄準設(shè)備轉(zhuǎn)動范圍為-120°~+120°。瞄準設(shè)備間隔20 ms發(fā)一次位置和速度，伺服轉(zhuǎn)臺收到位置和速度后，必須在20 ms內(nèi)跟上瞄準設(shè)備，并且瞄準設(shè)備和天線轉(zhuǎn)臺始終保持0.3°以內(nèi)的位置誤差。為了使伺服轉(zhuǎn)臺能夠始終跟上瞄準設(shè)備，這里采用了一種先位置后速度的跟蹤控制策略，就是在轉(zhuǎn)臺控制DSP收到瞄準設(shè)備傳過來的位置和速度后，先以一個瞄準設(shè)備速度的M（M>1）倍的速度走位置，當(dāng)位置走到隨動精度誤差范圍內(nèi)（0.3°），再以瞄準設(shè)備的速度跟隨瞄準設(shè)備。下一個20 ms來到后繼續(xù)重復(fù)以上的算法步驟。在調(diào)試的過程中，主要調(diào)試M值，M值過小轉(zhuǎn)臺跟不上瞄準設(shè)備，M值過大則會出現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺過沖的情況，所以必須取一個合適的M值，以滿足系統(tǒng)指標。圖3是測試軟件的主界面圖。

　　測試軟件主要完成對整個轉(zhuǎn)臺的各種指標進行測試和模擬真實觀瞄設(shè)備的轉(zhuǎn)動。圖4、圖5為測試軟件根據(jù)不同M值時的測試結(jié)果。圖4是M值為2.3時的測試結(jié)果圖，從圖中可以看出，差值的曲線不均勻，而且有些點明顯不能滿足指標的要求，超出了0.3°指標。

　　圖5為調(diào)節(jié)M值到一個適合值（M=4.1時）的測試結(jié)果圖，從圖中可以看出差值曲線很均勻，而且觀瞄的角度和轉(zhuǎn)臺實際走的角度差都滿足小于等于0.3°。

　　本文結(jié)合某項目的實際設(shè)計要求，設(shè)計了一種機載天線伺服轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)基于TMS320F2812 DSP為運算核心，采用退積分飽和的PID算法對速度環(huán)和位置環(huán)進行校正，在實際實驗的過程中，系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能和抗干擾性能。文中還著重介紹了一種伺服轉(zhuǎn)臺的隨動控制策略，這種隨動控制策略在某項目的實際應(yīng)用中取得了很好的控制效果，文中經(jīng)過反復(fù)的測試，給出了測試結(jié)果，這不僅提高了系統(tǒng)的動態(tài)性同時又增加了系統(tǒng)的魯棒性。

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